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• Andres Morales Vazquez

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BOMBA CENTRIFUGA DEFINICIÓN: Las bombas centrífugas también llamadas rotodinámicas, son siempre rotativas y son un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor. Una bomba centrífuga es una máquina que consiste en un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja o cárter, o una cubierta o coraza. Se denominan así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga. Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza de esta Ilustración 1.- Bomba centrifuga de flujo axial misma acción. Es aquella máquina que incrementa la energía de velocidad del fluido mediante un elemento rotante, aprovechando la acción de la fuerza centrífuga, y transformándola a energía potencial a consecuencia del cambio de sección transversal por donde circula el fluido en la parte estática, la cual tiene forma de voluta y/o difusor. CARACTERISTICAS   

  

La característica principal de la bomba centrifuga es la de convertir la energía de una fuente de movimiento (el motor) primero en velocidad (o energía cinética) y después en energía de presión. Existen bombas centrifugas de una y varias etapas. En las bombas de una etapa se pueden alcanzar presiones de hasta 5 atm, en las de varias etapas s e pueden alcanzar hasta 25 atm de presión, dependiendo del número de etapas. Las bombas centrifugas sirven para el transporte de líquidos que contengan sólidos en suspensión, pero poco viscosos. Su caudal es constante y elevado, tienen bajo mantenimiento. Este tipo de bombas presentan un rendimiento elevado para un intervalo pequeño de caudal, pero su rendimiento es bajo cuando transportan líquidos viscosos. Este tipo de bombas son las usadas en la industria química, siempre que no se manejen fluidos muy viscosos. Las bombas centrífugas de una etapa y monoblock son ideales para movimientos de líquidos en general, con una profundidad máxima de aspiración de 7 m. ó 9 m. Estas bombas son adecuadas para bombear agua limpia, sin sólidos abrasivos.

COMPONENTES DE UNA BOMBA CENTRIFUGA A. Rodete o impulsor El rodete o impulsor es un elemento móvil, formado por unas paletas o álabes divergentes unidos a un eje que recibe energía del exterior como podemos observar en la figura que nos muestra el despiece de una bomba centrífuga.

Ilustración 2.- Despiece del rodete de una bomba de flujo radial

Según que estos álabes vayan sueltos o unidos a uno o dos discos, los rodetes pueden ser: o Abiertos: cuando van sueltos. Tienen la ventaja de que permite el paso de impurezas, pero tiene poca eficacia. o Cerrados: cuando van unidos lateralmente a dos discos.

Ilustración 3.- Rodete seccionado

Ilustración 4.- Tipos de rodete

o Semiabiertas: cuando van unidos a un disco. B. Difusor El difusor junto con el rodete, están encerrados en una cámara, llamada carcasa o cuerpo de bomba, según como se ve en la figura 1. El difusor está formado por unos álabes fijos divergentes, que, al incrementarse la sección de la carcasa, la velocidad del agua irá disminuyendo lo que contribuye a transformar la energía cinética en energía de presión, mejorando el rendimiento de la bomba. Según la forma y disposición, las bombas centrífugas son de 2 tipos:  De voluta: La carcasa tiene forma de caracol, rodeando el rodete de tal forma que el área de flujo de agua aumenta progresivamente hacia la tubería de descarga (figura a).  De turbina: La carcasa va provista de unos difusores fijos dispuestos de tal forma que el área flujo se ensancha progresivamente hacia la salida (figura b).

a) Difusor de voluta

b) difusor de turnia

Ilustración 5.- Tipos de difusores C. Eje El eje de la bomba es una pieza en forma de barra de sección circular no uniforme que se fija rígidamente sobre el impulsor y le transmite la fuerza del elemento motor, como se puede apreciar en la figura.

Ilustración 6.- Corte de sección de una bomba de flujo radial

PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA:

o Carcasa: Es la parte exterior protectora de la bomba y cumple la función de convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área. o Impulsores: Es el corazón de la bomba centrífuga. Recibe el líquido y le imparte una velocidad de la cual depende la carga producida por la bomba. o Anillos de desgaste: Cumplen la función de ser un elemento fácil y barato de remover en aquellas partes en donde debido a las cerradas holguras entre el impulsor y la carcasa, el desgaste es casi seguro, evitando así la necesidad de cambiar estos elementos y quitar solo los anillos. o Estoperas, empaques y sellos: la función de estos elementos es evitar el flujo hacia fuera del líquido bombeado a través del orificio por donde pasa la flecha de la bomba y el flujo de aire hacia el interior de la bomba. o Flecha: Es el eje de todos los elementos que giran en la bomba centrífuga, transmitiendo además el movimiento que imparte la flecha del motor. o Cojinetes: Sirven de soporte a la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias. Soportan las cargas radiales y axiales existentes en la bomba. o Bases: Sirven de soporte a la bomba, sosteniendo el peso de toda ella.

Ilustración 7.- Partes principales de una bomba centrifuga

FUNCIONAMIENTO: El flujo entra a la bomba a través del centro u ojo del rodete y el fluido gana energía a medida que las paletas del rodete lo transportan hacia fuera en dirección radial. Esta aceleración produce un apreciable aumento de energía de presión y cinética, lo cual es debido a la forma de caracol de la voluta para generar un incremento gradual en el área de flujo de tal manera que la energía cinética a la salida del rodete se convierte en cabeza de presión a la salida.

Ilustración 8.- Flujo del fluido en una bomba rotodinámica de flujo axial

VENTAJAS DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS: o Su construcción es simple, su precio es bajo. o La línea de descarga puede interrumpirse, o reducirse completamente, sin dañar la bomba. o Puede utilizarse con líquidos que contienen grandes cantidades de sólidos en suspensión, volátiles y fluidos hasta de 850°F. o Sin tolerancias muy ajustadas. o Poco espacio ocupado. o Económicas y fáciles de mantener. o No alcanzan presiones excesivas aún con la válvula de descarga cerrada. o Máxima profundidad de succión es 15 pulgadas. o Flujo suave no pulsante. o Impulsor y eje son las únicas partes en movimiento. o No tiene válvulas ni elementos reciprocantes. o Operación a alta velocidad para correa motriz.

o Se adaptan a servicios comunes, suministro de agua, hidrocarburos, disposición de agua de desechos, cargue y descargue de carro tanques, transferencia de productos en oleoductos. TIPOS DE BOMBAS CENTRIFUGAS o Bombas centrifugas de flujo radial. o Las bombas centrifugas de flujo radial se utilizan para cargas altas y caudales pequeños, sus impulsores son por lo general angostos. El movimiento del fluido se inicia en un plano paralelo al eje de giro del impulsor de la bomba y termina en un plano perpendicular a éste. o Bombas centrifugas de flujo axial o Estas bombas se utilizan para cargas pequeñas y grandes caudales, tienen impulsores tipo propela, de flujo completamente axial. La corriente líquida se verifica en superficies cilíndricas alrededor del eje de rotación. La energía se cede al líquido por la impulsión ejercida por los álabes sobre el mismo. o Bombas centrifugas diagonales o Estas bombas se utilizan para cargas y caudales intermedios. La corriente líquida se verifica radial y axialmente, denominándose también de flujo mixto. La energía se cede al líquido mediante la acción de la fuerza centrífuga y la impulsión ejercida por los álabes sobre el mismo. CLASIFICACION DE LAS BOMBAS CENTRIGUFAS a) Numero de pasos:  Bombas de un solo paso. Son aquellas en las cuales la carga dinámica total es desarrollada por un solo impulsor.  Bomba de varios pasos. Son aquellas en las cuales la carga dinámica total es desarrollada por más de un impulsor. b) Tipo de succión:  Bombas de succión simple. Son aquellas provistas de uno o más impulsores de succión simple.  Bombas de succión doble. Son aquellas provistas de uno o más impulsores de succión doble. c) Posición de la flecha  Bombas horizontales. Son aquellas cuya posición de la flecha, normalmente es horizontal.  Aplicaciones: 1. Riego en general 2. Sistemas de incendios. 3. Aire acondicionado.  Bombas verticales. Son aquellas cuya posición de la flecha es normalmente vertical. d) Tipo de impulsor  Las bombas pueden tener uno o dos impulsores abiertos, semiabiertos o cerrados.

e) Tipo de carcaza  Bombas con carcaza bipartida: La carcaza de la bomba puede estar bipartida horizontal o verticalmente sobre la línea de centros de la bomba, o en cualquier otra dirección radial.  Bombas de voluta: Son aquellas cuya carcaza está construida en forma de espiral o de voluta.  Bombas de carcaza circular: Son aquellas cuya carcaza está construida de sección transversal constante, concéntrica con el impulsor.  Bombas de difusor: Son aquellas provistas de un difusor. f) Material de construcción  Las bombas centrifugas, pueden fabricarse de así todos los metales comunes conocidos o de sus aleaciones, así como de porcelana, vidrio, cerámica, materiales sintéticos y otros. g) Según la presión engendrada  Bombas de baja presión  Bombas de media presión  Bombas de alta presión PRIMERA FORMA DE LA ECUACION DE EULER Expresión energética 𝑌𝑢 = ±(𝑈1 𝐶1𝑈 − 𝑈2 𝐶2𝑈 ) Expresión de alturas 𝐻𝑢 = ±

𝑈1 𝐶1 𝑢 − 𝑈2 𝐶2 𝑢 𝑔

SEGUNDA FORMA DE LA ECUACION DE EULER Expresión energética 𝑢 21 − 𝑢 2 2 𝑤 2 1 − 𝑤 2 2 𝑐 21 − 𝑐 2 2 𝑌𝑢 = ± [ + + ] 2𝑔 2𝑔 2𝑔 Expresión de alturas u21 − u2 2 w 21 − w 2 2 c 21 − c 2 2 Hu = ± [ + + ] 2g 2g 2g ALTURA DE PRESION DEL RODETE P1 − P2 u21 − u2 2 w 21 − w 2 2 Hp = ± [ ]±[ + ] ρg 2g 2g ALTURA DINAMICA DEL RODETE

c 21 − c 2 2 Hd = ± [ ] 2g CARGA DE SUCCIÓN Y ELEVACIÓN CONDICIONES DE SUCCIÓN.

DE

SUCCIÓN

Y

ALGUNAS

o Elevación de succión. Es la suma de la elevación estática de succión, de la carga de fricción de succión total y de las pérdidas de admisión (la elevación de succión es una carga de succión negativa). o Carga de succión. Es la carga estática de succión menos la carga de fricción total y las pérdidas de admisión, más cualquier presión que se encuentre en la línea de succión. Es una presión negativa (hay vacío) y se suma algebraicamente a la carga estática de succión del sistema. o Condiciones de succión. Por lo que respecta al líquido, se tomará en cuenta la influencia de su presión sobre la succión. o Presión de vapor. Si un líquido se encuentra a una temperatura arriba de su punto de ebullición, sufre evaporación en su superficie libre. En el seno del líquido se origina una presión que se llama presión de vapor y que está en función directa con la temperatura del líquido. o Presión de bombeo. Destinemos una bomba cualquiera para bombear un líquido. Al funcionar la bomba, tiende a formar un vacío en el seno del líquido. Éste succionar se conoce como presión de bombeo. o Carga neta de succión positiva (NPSH). Es la presión disponible o requerida para forzar un gasto determinado, en litros por segundo, a través de la tubería de succión, al ojo del impulsor, cilindro o carcasa de una bomba. En el bombeo de líquidos la presión en cualquier punto en la línea de succión nunca deberá reducirse a la presión de vapor del líquido. o NPSH disponible. Esta depende de la carga de succión o elevación, la carga de fricción, y la presión de vapor del líquido manejado a la temperatura de bombeo. Si se varía cualquiera de estos puntos, la NPSH puede alterarse. o NPSH requerida. Esta depende sólo del diseño de la bomba y se obtiene del fabricante para cada bomba en particular, según su tipo, modelo, capacidad y velocidad. o Cebado de las Bombas. Consiste en la extracción del aire de la tubería de succión de la bomba para permitir un correcto funcionamiento. Esta operación se realiza en todas las bombas centrífugas ya que no son autocebantes, generalmente cuando ésta se encuentra en una posición superior al tanque de aspiración. o Carga Hidráulica. Es la energía impartida al líquido por la bomba, es decir, la diferencia entre la carga de descarga y la succión. o Punto de Shut-off. Representa la carga hidráulica que produce la bomba cuando el caudal a través de ella es nulo. (La válvula a la salida de la bomba está cerrada, con el fluido en contacto con el rodete). o Potencia Absorbida (N). Representa la potencia requerida por la bomba para transferir líquidos de un punto a otro y la energía requerida para vencer sus pérdidas. o Potencia Hidráulica (Ph). Potencia cedida al líquido en el proceso de su transferencia de un punto a otro.

o Rendimiento volumétrico (ηv): Son pérdidas ocasionadas por el rozamiento del eje con los prensaestopas, los cojinetes o el fluido en las holguras entre el rodete y la carcasa. Todo esto hace que la potencia que se necesita suministrar en el eje de la bomba sea mayor. o Eficiencia Mecánica. Es la eficiencia relacionada con las pérdidas de energía útil, debidas al rozamiento en el cojinete, prensaestopas y el rozamiento del fluido en los espacios entre la cubierta del rodete y la carcasa de la máquina, llamado rozamiento del disco y se define para una bomba centrifuga como:

𝑚 =

𝑃𝑖 𝑃𝑎

o Eficiencia Hidráulica. Se define en términos de la relación entre el trabajo específico ideal de la máquina y el real del rodete, el trabajo específico ideal de la máquina se calcula basado en las condiciones totales o estáticas. 𝑣 =

𝑄 𝑄 + 𝑞𝑒 + 𝑞𝑖

o Eficiencia Total. Redefine en términos de la relación entre la potencia eléctrica suministrada a la máquina y la potencia hidráulica entregada por ésta. 𝑡 =

𝑃 𝑃 𝑃𝑖 = ( ) ( ) = 𝑖 𝑚 𝑃𝑎 𝑃𝑖 𝑃𝑎

Curva característica de una bomba La curva característica de una bomba describe la relación entre la altura manométrica (caída de presión) y el caudal, datos que permiten escoger la bomba más adecuada para cada instalación. La altura manométrica de una bomba es una magnitud, expresable también como presión, que permite valorar la energía suministrada al fluido, es decir, se trata de la caída de presión que debe de vencer la bomba para que el fluido circule según condiciones de diseño.

Nótese que, si la velocidad se reduce, también disminuye la altura manométrica máxima y el caudal máximo.

Curva de potencia absorbida caudal La potencia absorbida depende de las características de trabajo, del caudal y de la altura manométrica de la bomba. Es la potencia que consume la propia bomba para accionar el eje. 𝑃𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 =

𝜌 ∙ 𝑞 ∙ ∆𝑝 𝜂𝑇

Donde: P potencia absorbida por la bomba [W] 𝜌 = densidad [kg/m 3 ] ̇ 𝑞 = caudal [m 3 /s] ∆𝑝 = caída de presión en el circuito o altura manométrica [kPa] 𝜂𝑇 = rendimiento total de la bomba [adimensional]

A continuación se muestra el diagrama de Sankey de una bomba

Con lo que se obtiene el rendimiento del grupo motor-bomba: 𝜂𝑇 = 𝜂ℎ ∙ 𝜂𝑣 ∙ 𝜂𝑚 ∙ 𝜂𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 Estos rendimientos mencionados anteriormente pueden reagruparse en dos, las pérdidas ocasionadas por mecanismos internos (rendimiento mecánico) y las pérdidas de energía relacionadas con el fluido. Curva NPSH – caudal El NPSH (Net Positive Suction Head, o altura neta positiva en la aspiración) es la presión mínima que debe haber en la entrada de la bomba para evitar fenómenos de cavitación.

Se puede apreciar que, si la velocidad de rotación n se mantiene constante, la curva de potencia absorbida P aumenta con el caudal. El rendimiento η, en cambio, tiene un máximo en presencia de un determinado caudal ̇ y disminuye cuando el caudal se hace superior o inferior a dicho valor.

Leyes de afinidad Son relaciones matemáticas entre el tamaño de la carcasa y del impulsor, y la velocidad del impulsor con la capacidad, carga y eficiencia de las bombas centrifugas, debido a que estas tres son variables que dependen de dichos factores. Las leyes de afinidad establecen los siguiente: 1. Cuando la velocidad varía (N, en rpm):  La capacidad varía en forma directa con la velocidad:

𝑄1 𝑁1 = 𝑄2 𝑁2  La capacidad de carga total varía con el cuadrado de la velocidad:

ℎ𝑎 1 𝑁1 2 =( ) ℎ𝑎 2 𝑁2

 La potencia que requiere la bomba varía con el cubo de la velocidad:

𝑃1 𝑁1 3 =( ) 𝑃2 𝑁2 2. Cuando el diámetro del impulsor varía:

 La capacidad varía en forma directa con el diámetro del impulsor:

𝑄1 𝐷1 = 𝑄2 𝐷2  La carga total varía con el cuadrado del diámetro del impulsor:

ℎ𝑎 1 𝐷1 2 =( ) ℎ𝑎 2 𝐷2  La potencia que requiere la bomba varía con el cubo del diámetro del impulsor:

𝑃1 𝐷1 3 =( ) 𝑃2 𝐷2 Podemos obtener dos conclusiones de los resultados anteriores: I.

II.

Si variamos la velocidad de rotación manteniendo constante el diámetro del rodete, la eficiencia de la bomba se mantiene constante, variando la presión, capacidad y potencia. Variando el diámetro del rodete y manteniendo la velocidad constante, la eficiencia de la bomba se mantendrá constante.

Punto de funcionamiento Como se ha mencionado, las bombas tienen una curva característica de funcionamiento que expresa la relación entre el caudal y la altura manométrica. El fabricante determina estas

curvas de forma experimental, midiendo la altura manométrica para diferentes caudales. Las variaciones de caudal se obtienen modificando la resistencia ejercida sobre el rodete de la bomba.

Cuando se conecta la bomba al circuito, el punto de funcionamiento A resulta como intersección entre la curva de funcionamiento de la bomba, y la del circuito.

Curva de funcionamiento de la bomba Δp (G) PUNTO A Curva de funcionamiento del circuito Δp (G)

Si se conocen las curvas características de la bomba y del circuito (ecuación de DarcyWeisbach), determinar el punto de equilibro es muy fácil.

Cavitación de una bomba

Durante la entrada del fluido en el rodete de una bomba, se produce una aceleración que, cuando la presión es suficientemente baja, genera la formación de burbujas de vapor. Esto tiene dos efectos sobre el funcionamiento, en primer lugar, la cavitación erosiona el rodete, y con el tiempo lleva a su destrucción. En segundo lugar, cuando la cavitación es fuerte disminuye la altura de elevación.

NPSH Para evitar la cavitación, hace falta mantener una presión suficiente (3), por encima de la presión de vapor, en la entrada de la bomba. El valor necesario es calculado por el fabricante como NPSHr (Net Positive Suction Head required). Desde el punto de vista de la utilización, hay que asegurar que el NPSHd (disponible) en el sistema sea superior al NPSHr. NPSHr < NPSHd La forma de calcula el NPSHd es: NPSHd = PRESIÓN ESTÁTICA + PRESIÓN DINÁMICA + PRESION DE VAPOR ∴ NPSH𝑑 =

𝑝𝑎𝑡 𝑝𝑠 𝑣 2 𝑝𝑣 + + − 𝜌𝑔 𝜌𝑔 2𝑔 𝜌𝑔

Cuando el sistema se encuentra cerrado al exterior: NPSH𝑑 =

Mejora en el diseño de la aspiración

𝑝𝑠 𝑣 2 𝑝𝑣 + − 𝜌𝑔 2𝑔 𝜌𝑔

De los factores que influyen en el NPSHd, únicamente se puede actuar sobre dos: I.

II.

La altura a la que está situada la bomba Las pérdidas de carga

En cuanto a la cota, es conveniente situar las bombas lo más cerca posible del nivel de agua de aspiración, o siempre que se pueda, en circuitos cerrados, en el nivel lo más bajo posible. Constructivamente no siempre es fácil, y en ocasiones hay que llegar a una solución de compromiso. Las pérdidas de carga en la aspiración se pueden reducir disminuyendo la longitud de la tubería, y aumentando el diámetro. Lo fabricantes de bombas acostumbran a diseñarlas con un diámetro de aspiración mayor que el de impulsión.

Selección de una bomba Para seleccionar una bomba debemos conocer los siguientes datos: 1. Caudal 2. Altura manométrica a vencer por la bomba o pérdida de presión del circuito 3. Valor de NPSHd

Bibliografía:     

http://www.unet.edu.ve/~maqflu/doc/LAB-1-95.htm https://es.scribd.com/document/260941733/Bombas-Centrifugas-de-Flujo-Radial http://www.ing.una.py/pdf_material_apoyo/bombas-centrifugas-y-volumetricas.pdf https://prezi.com/hvop2xdtnch8/bombas-centrifugas-radial/ http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/5091/fichero/6++BOMBAS+CENTR%C3%8DFUGAS.pdf  https://es.slideshare.net/Karinanne/prctica-v-curvas-caractersticas-de-una-bomba  https://es.scribd.com/document/383215754/Perdidas-en-Bombas-CentrifugasSankey